CN115368686A - 一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料及其制备方法和应用，涉及高分子材料领域。聚苯乙烯材料包括聚苯乙烯树脂、增韧剂、玻璃纤维、氨基硅烷偶联剂、苯乙烯‑丙烯酸酯共聚物和聚氨酯；增韧剂包括苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物、氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物和苯乙烯‑丁二烯无规共聚物中的一种或多种。本申请采用聚苯乙烯作为树脂基材，添加的增韧剂具有高含量的苯乙烯，可以与聚苯乙烯树脂具有较好的相容性，苯乙烯‑丙烯酸酯共聚物其另一端含有的丙烯酸酯基团与玻纤具有较好的相容性，从而提高玻璃纤维与基体树脂和增韧剂的相容性，最终产品的拉伸强度和缺口冲击强度整体提高，且流动性好，加工性能优越。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚苯乙烯具有优良的刚性、绝热、绝缘和透明性，但是材质很脆，需要添加玻纤增强以满足力学性能，提高复合材料的拉伸强度和刚性，同时玻纤增强的聚苯乙烯具有优异的尺寸稳定性，可作为增强ABS的高性价比替代方案，应用于电视机边框、打印机骨架等产品。
目前的聚苯乙烯材料作为基材并添加玻纤增强后，虽然拉伸强度和刚性得以提高，但缺口冲击仍然很低，难以满足一些特定产品的使用要求，需要同时提高其冲击强度，并保持高拉伸强度和高刚性。部分现有技术采用聚苯乙烯材料与其他树脂作为复配基材以改善力学性能，如聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二酯、聚丙烯、聚乙烯等。但是聚苯乙烯与聚对苯二甲酸丁二酯、聚丙烯或聚乙烯材料等复配后的力学性能尚不足满足应用要求，聚苯乙烯与聚苯醚的复配虽然力学性能较高，但产品的气味较差，且流动性降低导致产品加工性能下降，导致应用领域受限。
因此，本申请寻求单纯采用聚苯乙烯作为基材时提高产品综合力学性能的技术方法，以替代增强ABS材料。
发明内容
本发明提供了一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料及其制备方法和应用，以提高材料的拉伸强度、刚性和韧性。
为了解决上述技术问题，本发明目的之一提供了一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，包括以下重量份组分：
聚苯乙烯树脂：100份；
增韧剂：10份-30份；
玻璃纤维：10份-30份；
氨基硅烷偶联剂：0.1份-1份；
苯乙烯-丙烯酸酯共聚物：1份-7份；
聚氨酯：0.2份-0.6份；
其中，所述增韧剂包括苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和苯乙烯-丁二烯无规共聚物中的一种或多种，其苯乙烯质量含量在30％以上；所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的苯乙烯质量含量在60％-90％。
通过采用上述方案，本申请通过添加特定的增韧剂改善材料的韧性，将增韧剂的苯乙烯含量限定在30％以上，使得特定苯乙烯含量的增韧剂以及苯乙烯-丙烯酸酯共聚物可以提高增韧剂、玻璃纤维和聚苯乙烯树脂三组分的相容性和分子链间的相互作用，从而充分发挥增韧剂的增韧作用，提高产品的缺口冲击强度；苯乙烯-丙烯酸酯共聚物含有丙烯酸酯基团，聚氨酯含有的N-H键可以与苯乙烯-丙烯酸酯共聚物中丙烯酸酯的酯基形成多种氢键，聚氨酯与玻璃纤维相容性好，从而使苯乙烯-丙烯酸酯共聚物在界面处形成牢固的桥接作用，从而进一步提高玻璃纤维与树脂基体和增韧剂的界面结合程度，增韧剂可以提供内在橡胶增韧，玻璃纤维提供外在的刚性增韧，最终产品的拉伸强度和缺口冲击强度整体提高，且流动性较好加工性能优越。
作为优选方案，所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的苯乙烯质量含量在70％-80％之间。
作为优选方案，所述增韧剂的数均分子量在10万g/mol以上。
作为优选方案，所述增韧剂的数均分子量在20-30万g/mol之间。
作为优选方案，所述增韧剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和/或苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)。
作为优选方案，所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的重量份含量为3份-5份，所述增韧剂为苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
通过采用上述方案，苯乙烯-丙烯酸酯可以促进玻璃纤维与聚苯乙烯基材的相容性，改善材料的拉伸强度和缺口冲击强度，当增韧剂为SEBS组分时，通过协效作用，整体材料的拉伸强度和缺口冲击强度都可达到更高的水平。
作为优选方案，所述玻璃纤维的平均直径在10-13μm之间。
作为优选方案，所述聚苯乙烯材料的拉伸强度在50MPa以上，弯曲强度在76MPa以上，缺口冲击强度在6.9kJ/m2以上，在220℃、10kg测试条件下熔体流动速率在10g/10min以上。
为了解决上述技术问题，本发明目的之二提供了一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃纤维与聚氨酯预先混合进行表面处理；
(2)将聚苯乙烯树脂、增韧剂、氨基硅烷偶联剂、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物投入高速混料设备中混合均匀，再加入双螺杆挤出设备；
(3)将步骤(1)获得的玻璃纤维以侧喂方式与熔体混合，挤出造粒，得到玻璃纤维增强聚苯乙烯材料。
作为优选方案，在所述双螺杆挤出设备中，螺杆转速为300-500rpm，双螺杆挤出设备各段螺杆温度从加料口到机头依次设为一区温度80-100℃、二区温度160-180℃、三区温度190-210℃、四区温度190-210℃、五区温度190-210℃、六区温度180-200℃、七区温度180-200℃、八区温度190-210℃、九区温度190-210℃、机头温度200-220℃。
通过采用上述方案，本申请聚苯乙烯材料的挤出温度控制在220℃以下，避免较高的加工温度导致材料的性能下降，同时可以降低能量损耗，节约能源。
为了解决上述技术问题，本发明目的之三提供了一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料在家电、电子电器领域中的应用，如电视机前框等厚度较薄、加工性能要求较高的产品。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
1、本申请通过添加特定增韧剂改善材料的韧性，结合苯乙烯-丙烯酸酯共聚物可以提高玻璃纤维、增韧剂与聚苯乙烯树脂三者的相容性和分子链间相互作用，从而充分发挥增韧剂的增韧作用，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物含有的丙烯酸酯基团可以与玻纤具有较好的相容性，从而提高玻璃纤维与基体树脂的相容性，最终产品的刚性和韧性整体提高。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下表1为本申请实施例和对比例中原料的来源，如无特别说明，氨基硅烷偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂均通过市售获得，且平行实验中使用的是相同的氨基硅烷偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂。
表1-本申请实施例和对比例中原料的来源和性能参数
实施例1-10
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各组分含量如表2所示，包括聚苯乙烯树脂(GPPS-1)、增韧剂、玻璃纤维、氨基硅烷偶联剂、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物；聚苯乙烯树脂的拉伸强度为55MPa；增韧剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)或苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)；苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的苯乙烯含量在60％以上。
上述一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比称量各组分，将聚苯乙烯树脂、增韧剂、氨基硅烷偶联剂、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物投入高速混料机中混合均匀，加入到双螺杆挤出机中；
(2)将玻璃纤维在第6节螺筒处以侧喂方式按一定比例与熔体混合，挤出造粒，螺杆转速为400rpm，挤出机各段螺杆温度从加料口到机头依次设为一区温度90℃、二区温度170℃、三区温度200℃、四区温度200℃、五区温度200℃、六区温度190℃、七区温度190℃、八区温度200℃、九区温度200℃、机头温度210℃，得到玻璃纤维增强聚苯乙烯材料。
表2-实施例1-10中玻璃纤维增强聚苯乙烯材料各组分含量
对比例1
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS-1)采用等量苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS-4)替代，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS-4)的苯乙烯含量为20％，数均分子量为15万g/mol。
对比例2
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物-1的含量为10kg。
对比例3
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物-1采用等量苯乙烯-马来酸酐共聚物替代，苯乙烯含量为73％。
对比例4
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物-1采用等量苯乙烯-丙烯酸酯共聚物-3替代，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物-3的苯乙烯含量为40％。
对比例5
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，聚苯乙烯树脂采用等量复配树脂替代，复配树脂包括质量比为1：2的聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂。
对比例6
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，聚苯乙烯树脂采用等量复配树脂替代，复配树脂包括质量比为1：2的聚对苯二甲酸丁二酯树脂(PBT)和聚苯乙烯树脂。
对比例7
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，聚苯乙烯树脂采用等量复配树脂替代，复配树脂包括质量比为1：2的聚丙烯树脂和聚苯乙烯树脂。
对比例8
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，聚苯乙烯采用等量的HIPS树脂替代。
对比例9
一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，各步骤及各步骤使用的试剂和工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，增韧剂采用等量的马来酸酐接枝POE替代，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的添加量为0。
性能检测试验
1、拉伸强度：按GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》标准对实施例1-10和对比例1-9的样品进行测试，测试速度为10mm/min，测试结果如表3所示。
2、弯曲强度：按照GB/T 1449-2005-《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》标准对实施例1-10和对比例1-9的样品进行测试，测试速度为2mm/min，测试结果如表3所示。
3、悬臂梁缺口冲击强度：按照GB/T 1843-1996《塑料悬臂梁冲击试验方法》标准对实施例1-10和对比例1-9的样品进行测试，摆锤能量2.75J，常温测试，测试结果如表3所示。
4、熔体流动速率：按照GB/T 3682-2000《热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》标准对实施例1-11和对比例1-9的样品进行测试，测试条件为220℃、10kg，测试结果如表3所示。
表3-实施例1-10和对比例1-9的性能检测试验结果
结合表3中实施例1和对比例1的性能检测结果对比可知，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的添加有助于改善材料的韧性，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的苯乙烯含量限定在30％以上，同时其丁二烯含量降低，选择的嵌段共聚物分子量较高，有利于保证材料拉伸强度维持在50MPa以上和弯曲强度维持在76MPa以上，同时显著提高缺口冲击强度，达到6.9kJ/m2以上。
结合表3中实施例1和对比例8的性能检测结果可知，对比例8中使用传统的HIPS树脂，增韧后其拉伸强度和弯曲强度都很低，而本申请使用创新的配方体系，可以大幅提高拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击，产品的加工性能也较优。
结合表3中实施例1、7和对比例3-4的性能检测结果对比可知，聚苯乙烯树脂为弱极性树脂，与极性强的玻璃纤维相容性差，界面结合强度低；本申请采用60％-90％之间苯乙烯含量的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物提高与聚苯乙烯树脂基体的相容性，同时玻璃纤维的成膜剂为聚氨酯，含有N-H键，可以与苯乙烯-丙烯酸酯共聚物中丙烯酸酯的酯基形成多种氢键，从而使相容剂在界面处形成牢固的桥接作用，因而大大提高了玻璃纤维与树脂基材的界面结合，从而提高无碱玻璃纤维与基体树脂的相容性，改善产品的弯曲强度、冲击强度和拉伸强度。
结合表3中实施例1和8-10和对比例2的性能检测结果对比可知，苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的含量在1kg-7kg时，产品的缺口冲击强度随着含量的增加而得到显著提高，当增韧剂为SEBS时，整体的拉伸强度、刚性和韧性可达到更高的水平。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于，包括以下重量份组分：
聚苯乙烯树脂：100份；
增韧剂：10份-30份；
玻璃纤维：10份-30份；
氨基硅烷偶联剂：0.1份-1份；
苯乙烯-丙烯酸酯共聚物：1份-7份；
聚氨酯：0.2份-0.6份；
所述增韧剂包括苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和苯乙烯-丁二烯无规共聚物中的一种或多种，其苯乙烯质量含量在30％以上；所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的苯乙烯质量含量在60％-90％之间。
2.如权利要求1所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于，所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的苯乙烯质量含量在70-80％之间。
3.如权利要求1所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于，所述增韧剂的数均分子量在10万g/mol以上。
4.如权利要求1所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于，所述增韧剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和/或苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
5.如权利要求1所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于，所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的重量份含量为3份-5份，所述增韧剂为苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
6.如权利要求1所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于，所述玻璃纤维的平均直径在10-13μm之间。
7.如权利要求1所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于，所述聚苯乙烯材料的拉伸强度在50MPa以上，弯曲强度在76MPa以上，缺口冲击强度在6.9kJ/m2以上，在220℃、10kg测试条件下熔体流动速率在10g/10min 以上。
8.一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-7任一所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料，包括以下步骤：
(1)将玻璃纤维与聚氨酯预先混合进行表面处理；
(2)将聚苯乙烯树脂、增韧剂、氨基硅烷偶联剂、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物投入高速混料设备中混合均匀，再加入双螺杆挤出设备；
(3)将步骤(1)获得的玻璃纤维以侧喂方式与熔体混合，挤出造粒，得到玻璃纤维增强聚苯乙烯材料。
9.如权利要求8所述的一种玻璃纤维增强聚苯乙烯材料的制备方法，其特征在于，在所述双螺杆挤出设备中，螺杆转速为300-500rpm，双螺杆挤出设备各段螺杆温度从加料口到机头依次设为一区温度80-100℃、二区温度160-180℃、三区温度190-210℃、四区温度190-210℃、五区温度190-210℃、六区温度180-200℃、七区温度180-200℃、八区温度190-210℃、九区温度190-210℃、机头温度200-220℃。
10.一种如权利要求1-7任一所述的玻璃纤维增强聚苯乙烯材料在家电、电子电器领域中的应用。
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